Labor Strömungsmaschinen

Prüfstände

Das Laboratorium umfasst die nachfolgend aufgeführten Maschinen-Prüfstände:

  • Hydraulische Strömungsmaschinen
  • Kammerprüfstand für Ventilatoren

Die Maschinenprüfstände des Hydraulischen Strömungsmaschinen Laboratoriums werden in erster Linie zur maschinen- und messtechnischen Ausbildung der Studierenden eingesetzt.

Praktika

Im Strömungsmaschinenteil des Maschinentechnischen Praktikums (PMS) führen die Studierenden des 8. Semesters Messungen zur Ermittlung von Leistungen, Wirkungsgraden und Kennlinien durch. Darüber hinaus dienen die Versuche der Veranschaulichung theoretischer Zusammenhänge (z. B. Kavitation, Betriebsverhalten, Regelung).

Abschlussarbeiten

Die Themenstellungen interner Diplomarbeiten konzentrieren sich vorwiegend auf die Erneuerung der vorhandenen Prüfstandseinrichtungen sowie auf den Aufbau neuer Versuchs- und Messtechniken. Darüber hinaus werden externe Diplomarbeiten betreut, deren Themenstellung in Abstimmung mit der Industrie erfolgt. Bei Bedarf stehen die Prüfstände des Hydraulischen Strömungsmaschinenlaboratoriums für spezielle Untersuchungen zur Verfügung.

Anwendungsorientierte Forschung und Entwicklung (F+E)

Die vorhanden Einrichtungen erlauben die Durchführung von experimentellen und numerisch/theoretischen F+E Vorhaben. Die experimentellen Versuchseinrichtungen ermöglichen Untersuchungen an Modell- Wasserturbinen, Kreiselpumpen, Ventilatoren und anderen strömungsführenden Bauteilen wie z.B. Filter, Siebeund und Rohrleitungseinbauten. Die numerische Berechnung dreidimensionaler Strömungsfelder erfolgt mit Hilfe von CFD-Simulationssoftware (Computational Fluid Dynamics) ANSYS-cfx und ANSYS-ICEM.

Laborausstattung

Das Labor für Strömungsmaschinen befindet sich im Untergeschoss des Laborgebäudes und erstreckt sich über zwei Stockwerke. Die Grundfläche beträgt 250m². Zusätzlich stehen 45m² auf einer Galerie zur Verfügung. Neben Wasser, Strom und Internet verfügt das Labor über mehrere Labortische mit Anschlüssen für Druckluft und Strom (220 und 380 Volt). Derzeit sind zwei Maschinenprüfstände aufgebaut, die nachfolgend beschrieben werden. Es handelt sich um einen Prüfstand für Hydraulische Strömungsmaschinen und einen Kammerprüfstand für Ventilatoren.

Labor Strömungsmaschinen

Prüfstand für Hydraulische Strömungsmaschinen

Aufbau des Prüfstandes
Einsatzspektrum:
Am Prüfstand für Hydraulische Strömungs-maschinen können strömungstechnische Untersuchungen an Kreiselpumpen und Wasser-turbinen im Modellmaßstab durchgeführt werden. Derzeit ist eine Francis-Pumpenturbine und eine doppeltverstellbare Kaplan-Modellturbine eingebaut. Nach entsprechenden Umbau-maßnahmen sind auch Untersuchungen an strömungsführenden Bauteilen, wie z.B. Druckverlustmessungen möglich. Alle Prüfstands-komponenten sind so dimensioniert, dass über den Einsatz im Lehrbetrieb hinaus, auch Projekte aus dem Bereich der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung sowie Industrie-aufträge bearbeitet werden können.

Prüfstand für Strömungsmaschinen

Prüfstandskonzept:
Der Prüfstand kann sowohl im offenen als auch im geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Die Einstellung des Prüfstandes auf die jeweilige Versuchsaufgabe erfolgt durch Betätigen entsprechender Absperrschieber (Abb. 1). Zu den zentralen Prüfstandskomponenten gehören die Kreislaufpumpe (P1) und der Unterwasserkessel. Mit Hilfe dieser Einrichtungen können die Druckniveaus im Ein- und Austritt der zu untersuchenden Komponente variabel eingestellt werden.

Centrifugal pump:closed loop centrifugal pump with loss compensation
Francis turbine:closed loop open loop
Kaplan turbine:closed loop open loop

Betriebsart (offener und geschlossener Kreislauf):
Im offenen Betriebsmodus saugt die Kreislaufpumpe das Wasser aus dem offenen Reservoire an und beaufschlagt damit die zu untersuchende Komponente. Nach Durchströmen der Turbine wird das Wasser über den Unterwasserkessel und ein offenes Gerinne wieder dem Reservoire zugeleitet. Da die Abströmung in ein offenes Gerinne bei Umgebungsbedingungen erfolgt, ist der Druck im Unterwasser (Turbinenaustritt) vorgegeben und kann nicht variiert werden. Vorteilhaft ist, dass die Stabilität des eingestellten Betriebspunktes im allgemeinen mit hoher Sicherheit gewährleistet werden kann. Diese Betriebsart eignet sich somit zur Untersuchung von Turbinen und strömungsführenden Bauteile, wenn keine Variation des Gegendruckes erforderlich ist und der Druck im Austritt des Prüflings bei konstanten Werten in der Größenordnung des Atmosphärendruckes liegen kann.

Sollen an einer Turbine oder einem strömungsführenden Bauteil Untersuchungen bei unterschiedlichen Gegendrücken durchgeführt werden, sind die Messungen im geschlossenen Kreislauf mit Einbeziehung des Unterwasserkessels durchzuführen. Der Unterwasserkessel hat bei dieser Betriebsart keine Verbindung zum offenen Gerinne, so dass der Druck im Unterwasserkessel den Anforderungen entsprechend eingestellt werden kann. Die Kreislaufpumpe saugt das Wasser unmittelbar aus dem Unterwasserkessel an und fördert es über eine Druckleitung zum Prüfling, von dem es wieder in den Unterwasserkessel abströmt.

Für Untersuchungen an Kreiselpumpen wird der Prüfstand generell im geschlossenen Kreislauf betrieben. Gegenüber dem Turbinenbetrieb erfolgt die Durchströmung bei Pumpenuntersuchungen in umgekehrter Richtung, so dass der Unterwasserkessel der zu untersuchenden Pumpe vorgeschaltet ist. Somit kann über den Unterwasserkessel der Pumpeneintrittsdruck variiert werden. Die zu untersuchende Kreiselpumpe saugt das Wasser aus dem Unterwasserkessel an und fördert es durch eine Druckleitung, in der die Drosselklappe eingebaut ist, zurück zum Unterwasserkessel. Dabei kann die Kreislaufpumpe bei Bedarf zugeschaltet werden.

Kavitationsbeobachtung:
Zur optischen Untersuchung der Kavitationseffekte sind die relevanten Wandbereiche des Pumpeneintritts und Turbinenaustritts mit Plexiglaseinsätzen versehen, durch die der Prozess der Dampfblasenbildung über den Transport bis hin zum Zusammenfallen beobachtet werden kann. Hierzu wird ein Stroboskop eingesetzt, dessen Blitzfrequenz mit der Schaufelgrundfrequenz getriggert und gegenüber dieser um einstellbare Phasenwinkel verschoben werden kann. Dadurch können Aufnahmen des quasistationären Strömungsfeldes zu definierten Zeitpunkten, d. h. definierten Relativpositionen der Laufschaufeln zum Trigger, erzeugt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit die Strömungskonfiguration im rotierenden Laufrad durch Einstellen eines Zeitlupeneffektes zu beobachten.

Kenndaten der Prüfstandskomponenten:     

Kenndaten des Prüfstandes:

Durchsatz bis 0,3m³/s (bis 1080m³/h)
Pumpenförderhöheca. 15 mWS
Turbinenfallhöheca. 10 mWS
Antriebsleistung der Kreislaufpumpe 55 kW
zul. Druck für den Unterwasserkessel
(pmin bis pmax)abs.
0,15 bis 3,5 bar

Kenndaten der Kreislaufpumpe:

Nenn-Fördermenge 0,3 m³/s (1080 m³/h)
Nenn-Förderhöhe15 mWS
maximale Förderhöhe 25 mWS
NPSH-Wert 5,4 m
Nenndaten des Antriebsmotors55 kW, 960 min-¹

Kenndaten des Unterwasserkessels:      

Nenndruck-0,85 bis 2,5 bar
Durchmesser 1,2 m
Volumen 3,5 m³

Kenndaten des Drosselschiebers:

Nenndurchmesser300 mm
Nenndruck6,0 bar
maximale Druckdifferenz5,0 bar

Kenndaten der Kaplan-Modellturbine:   

Nenndaten des Generators22 kW, 3000 min-¹
maximale Drehzahl2000 min-¹
Referenzdurchmesser (D) 0,15 m
Anströmfläche Hochdruckseite (A1) 0,05309 m²
Abströmfläche Niederdruckseite (A2)0,08663 m

Kenndaten der Francis- Pumpturbine:     

Nennbetriebsdaten des Antriebsmotors (Pumpbetrieb)45 kW, 1500 min-¹
Nenndrehzahl1500 min-¹
maximale Drehzahl 3000 min-¹
Referenzdurchmesser (D) 0,1792 m
Durchmesser Hochdruckseite (d1) 0,250 m
Anströmfläche Hochdruckseite (A1) 0,01779 m²
Abströmfläche Niederdruckseite (A2)    0,05711 m²

Versuchs- und Messtechnik
Die Versuchssteuerung erfolgt von einem zentralen Fahrstand aus. Mit Hilfe von Servomotoren werden die Parameter des jeweiligen Messpunktes eingestellt. Hierzu gehören die Drosselschieber- und Leitschaufelstellung, der Druck im Unterwasserbehälter, sowie die Förderhöhe der Kreislaufpumpe. Die Variation der Drehzahl erfolgt im Turbinenbetrieb durch Verändern der Belastung am Generator und im Pumpenbetrieb mit Hilfe einer Frequenzumformung am Motor. Als Belastungseinrichtungen kommen auf der Seite der Kaplanturbine ein Generator und nachgeschaltete Belastungswiderstände zum Einsatz und auf der Francis-Seite das öffentliche Netz, in das mit Hilfe einer automatischen Synchronisiereinrichtung eingespeist wird. Die gesamte Messwertaufnahme, Auswertung und Darstellung der Versuchsergebnisse wird über einen PC gesteuert.

Saugseitiger Kammerprüfstand für Ventilatoren

Saugseitiger Kammerprüfstand für Ventilatoren

Entstehungsgeschichte des Prüfstandes
Der Ventilatorenprüfstand wurde in Kooperation mit einem mittelständischen Unternehmen (Gebrüder Schmidt AG, Beilngries) errichtet. Beteiligt waren zahlreiche im Rahmen ihrer Diplomarbeiten. Zunächst standen Überlegungen zur Konzeptfindung und darauf aufbauend die Auslegung der Prüfstandsgeometrie im Mittelpunkt. Anschließend ging es um die Ausarbeitung der Detailkonstruktionen und die Errichtung des Prüfstandes. In der dritten Phase lagen die Arbeitsschwerpunkte auf der Einrichtung der Messtechniken sowie auf der Erstellung der Autosequenzen zur rechner-gesteuerten Messwerterfassung und Versuchsauswertung.

 

Ausführliche Beschreibungen des Ventilatorenprojektes sind in der Hochschulzeitschrift der HS. Regensburg (Ausgabe 1/95 und 1/97Externer Link S.63) enthalten.
      

Einsatzspektrum, Prüfstandskonzept und Messtechnik
Einsatzspektrum

Der Kammerprüfstand wird eingesetzt zur messtechnischen Erfassung der Kennlinien von Ventilatoren. Ferner können Druckverlustmessungen an strömungsführenden Bauteilen durchgeführt werden. Alle Prüfstandskomponenten sind so dimensioniert, dass über den Einsatz im Lehrbetrieb hinaus, auch Industrieaufträge bearbeitet werden können. Im Hinblick darauf wurde die Prüfstandskonstruktion möglichst variabel gestaltet, so dass unterschiedliche Ventilatorbauarten mit differierenden Abmessungen und Anschlussmaßen eingebaut und untersucht werden können.
Im Rahmen des Ventilatorenprojektes wurden auf dem Prüfstand die Kennlinien der neu entwickelten Ventilatorenbaureihe der Firma Gebrüder Schmidt AG, Beilngries ermittelt. Nach Abschluss des Projektes wurde der Prüfstand auch zur Ermittlung der Druckverluste von Sieben eingesetzt.

Prüfstandskonzept
Grundlage des Prüfstandskonzeptes ist die DIN 24163. Sie umfasst drei Teile und gilt in erster Linie für Ventilatoren, die ohne Kenntnis der im jeweiligen Anwendungsfall vorhandenen Einbaubedingungen in Katalogen angeboten und nach den darin genannten Daten ausgewählt werden. Bei der konstruktiven Gestaltung des Prüfstandes wurden die Anforderungen der DIN und der ISO im Grundsatz erfüllt.

Messtechnik und Rechneranschluss
Die Erfassung und Auswertung der Messdaten sowie die Darstellung der Kennlinien erfolgt PC-gesteuert, auf der Basis der DIA/DAGO-Software (GfS Aachen), mit Hilfe selbstentwickelter Autosequenzen (siehe nachfolgendes Schema).

Beschreibung der konstruktiven Ausführung der Prüfstandskomponenten
Die nachfolgend dargestellte Zusammenstellungszeichnung gibt einen Überblick über die wichtigsten Bauteile des Prüfstandes.